復(fù)合材料氣瓶高低溫條件下的疲勞及爆破性能研究

林 松，王俊鋒，李 紅，陳 亮，孫文文

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

復(fù)合材料氣瓶高低溫條件下的疲勞及爆破性能研究

林 松，王俊鋒，李 紅，陳 亮，孫文文

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

本文纏繞成型130 L復(fù)合材料氣瓶，進(jìn)行了充放氣疲勞及水壓爆破試驗(yàn)，并且采用聲發(fā)射的檢測方法對充放氣疲勞試驗(yàn)過程進(jìn)行了監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果表明：充放氣疲勞過程中復(fù)合材料氣瓶除了承受內(nèi)壓載荷作用，同時(shí)還承受由于充放氣導(dǎo)致的溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，內(nèi)壓以及熱應(yīng)力對氣瓶的損傷較大，會(huì)導(dǎo)致氣瓶疲勞后的爆破壓強(qiáng)下降。

復(fù)合材料氣瓶；聲發(fā)射；氣壓；疲勞

1 引 言

復(fù)合材料氣瓶由于具有較高的結(jié)構(gòu)效率，在火箭、空間飛行器以及民用的運(yùn)輸裝置中得以廣泛的應(yīng)用[1-6]。目前通常采用水壓試驗(yàn)的方式對氣瓶的疲勞及爆破強(qiáng)度進(jìn)行檢測，但是實(shí)際使用過程中，氣瓶使用的為氣壓，氣瓶在充壓過程中除了受內(nèi)壓作用外，還會(huì)因?yàn)槌浞艢鈱?dǎo)致的溫度劇烈變化使得氣瓶承受熱應(yīng)力的作用[7]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣瓶的熱機(jī)械應(yīng)力做了大量的研究工作，Onder[8]的研究表明復(fù)合材料氣瓶在高溫條件下，會(huì)由于熱應(yīng)力導(dǎo)致氣瓶的機(jī)械性能下降。Messinger和Pulley[9]研究了IM7/977-2纏繞成型的復(fù)合材料氣瓶在低溫條件下的性能，并且采用聲發(fā)射對其低溫循環(huán)過程進(jìn)行監(jiān)控，研究表明低溫容易導(dǎo)致復(fù)合材料氣瓶樹脂開裂。Ju[10]等的研究也表明高溫條件下，樹脂由于韌性減低會(huì)導(dǎo)致樹脂抗裂紋擴(kuò)展能力下降，從而使得復(fù)合材料氣瓶的性能降低。但是大部分文獻(xiàn)報(bào)道的只是復(fù)合材料氣瓶在單一溫度或者單一內(nèi)應(yīng)力作用下對復(fù)合材料氣瓶性能的影響，實(shí)際氣壓使用過程中復(fù)合材料氣瓶的熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力是比較復(fù)雜的，需要開展氣瓶的充放氣試驗(yàn)。但是充放氣試驗(yàn)的成本較高，危險(xiǎn)性較大，關(guān)于其研究較少。

本文主要致力于研究充放氣疲勞試驗(yàn)對復(fù)合材料氣瓶的性能影響，纏繞成型復(fù)合材料氣瓶，進(jìn)行100次0～35MPa的氣壓疲勞試驗(yàn)，并且進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)控，分析充放氣試驗(yàn)對氣瓶性能的影響，并且對氣壓疲勞后的復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)，研究疲勞后復(fù)合材料氣瓶的爆破性能。

2 試驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：TDE-85環(huán)氧樹脂，天津津東化工廠；環(huán)氧樹脂稀釋劑、胺類固化劑，自制；T700碳纖維，12 K，日本東麗公司；金屬內(nèi)襯，采用T6-6061鋁合金，容積130 L，筒身段壁厚2 mm，自制。

設(shè)備：充放氣試驗(yàn)工裝(自制)；水壓試驗(yàn)工裝(自制)；纏繞設(shè)備：4軸聯(lián)動(dòng)纏繞機(jī)(江南機(jī)器)；聲發(fā)射裝置(美國PAC公司)。

2.2 復(fù)合材料氣瓶的制備

T700碳纖維在一定張力作用下浸漬樹脂,采用數(shù)控纏繞機(jī)在金屬內(nèi)襯表面纏繞成型復(fù)合材料氣瓶。氣瓶采用螺旋向與環(huán)向交替纏繞方式進(jìn)行。纏繞完成后筒身段復(fù)合材料層厚度為10 mm，采用烘箱旋轉(zhuǎn)固化成型。

2.3 復(fù)合材料氣瓶的疲勞及爆破性能測試

復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前進(jìn)行44 MPa的自緊壓力試驗(yàn)。復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行充放氣的氣壓疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。氣壓疲勞采用壓縮N2作為氣源，氣壓采用計(jì)算機(jī)控制。氣瓶的充壓速率為3 MPa/m，而放氣速率為10 MPa/m，試驗(yàn)壓力也為0～35 MPa。在氣瓶的內(nèi)部，氣瓶的封頭以及筒身段部位均布置了熱電偶，用于測試充放氣過程中瓶內(nèi)氣體以及復(fù)合材料氣瓶外表面各點(diǎn)的溫度變化。復(fù)合材料氣瓶疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，測試其最終爆破壓強(qiáng)。

圖1 復(fù)合材料氣瓶氣壓疲勞試驗(yàn)示意圖

2.4 聲發(fā)射檢測

氣瓶疲勞試驗(yàn)的過程中，如圖2所示在氣瓶的外表面設(shè)置8個(gè)聲發(fā)射探頭，采集前15次以及最后15次的聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號的最低采集門檻為50 dB。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合材料氣瓶的氣壓疲勞性能

對氣瓶進(jìn)行100次氣壓疲勞試驗(yàn)，并且采用聲發(fā)射對試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控。圖3所示的為復(fù)合材料氣瓶在充放氣疲勞試驗(yàn)過程中壓力以及溫度隨時(shí)間的變化。從圖上可以看出當(dāng)氣壓升高到35 MPa，溫度逐漸升高到最大，氣瓶內(nèi)氣體的溫度稍高于外層復(fù)合材料的溫度，特別是氣瓶的起始升壓階段。而在放氣過程中，溫度迅速降低，并且瓶內(nèi)氣體的溫度明顯低于復(fù)合材料瓶體的溫度。從整個(gè)充放氣過程中看，氣瓶內(nèi)部氣體溫度降低了140℃，而復(fù)合材料瓶體僅為80℃。氣瓶充放氣過程中的劇烈的溫度變化主要是由于氣體的熱動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的，在充氣過程中，氣體對內(nèi)做功，會(huì)導(dǎo)致溫度升高。而在放氣過程中，氣體對外做功，會(huì)導(dǎo)致氣體的溫度降低。如此劇烈的溫度變化會(huì)使得纖維與樹脂之間以及復(fù)合材料層與層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且熱應(yīng)力是伴隨這氣體的內(nèi)壓而產(chǎn)生的。所以復(fù)合材料氣瓶在氣壓疲勞試驗(yàn)過程中，除了受內(nèi)壓力外，還要承受由于溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力。

圖2 復(fù)合材料氣瓶聲發(fā)射檢測測點(diǎn)位置圖

圖3 復(fù)合材料氣瓶氣壓疲勞過程中的壓力與溫度的關(guān)系

3.2 復(fù)合材料氣瓶聲發(fā)射檢驗(yàn)研究

復(fù)合材料氣瓶在氣壓疲勞試驗(yàn)過程中進(jìn)行了聲發(fā)射的監(jiān)控。如圖4所示，復(fù)合材料氣瓶在氣壓疲勞的起始階段前15次疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射損傷信號，信號主要出現(xiàn)于復(fù)合材料氣瓶在35 MPa的保壓階段以及壓力降低的階段。而在疲勞試驗(yàn)的最后15次試驗(yàn)中，如圖4(b)中可以看出，復(fù)合材料氣瓶的聲發(fā)射信號并無明顯減少的趨勢。表明復(fù)合材料氣瓶在氣壓疲勞試驗(yàn)后期，由于熱應(yīng)力以及內(nèi)壓的作用，復(fù)合材料氣瓶的損傷并無出現(xiàn)明顯衰減的趨勢。如圖5所示的信號在復(fù)合材料的分布對比表明復(fù)合材料氣壓疲勞試驗(yàn)對復(fù)合材料氣瓶的損傷較大。但是大部分的信號振幅基本出現(xiàn)于50～90 db，表明大部分為基體開裂與復(fù)合材料分層界面損傷，出現(xiàn)纖維斷裂的情況較少。

(a)起始15次循環(huán)；(b) 最后15次循環(huán)圖4 復(fù)合材料氣瓶在氣壓疲勞過程中的聲發(fā)射檢測

圖5 復(fù)合材料氣瓶氣壓疲勞聲發(fā)射信號在瓶體的分布

3.3 復(fù)合材料氣瓶的爆破性能研究

復(fù)合材料氣瓶經(jīng)過100次水壓以及氣壓疲勞后進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，研究疲勞對復(fù)合材料爆破性能的影響。如表1所示，復(fù)合材料經(jīng)過水壓疲勞后的爆破壓強(qiáng)為75 MPa，比水壓疲勞后的相比降低了9.6%。

表1 復(fù)合材料氣瓶的爆破壓強(qiáng)

如圖6所示的復(fù)合材料氣瓶的爆破形式所示，雖然兩個(gè)復(fù)合材料氣瓶的成型工藝一樣，但是破壞模式呈現(xiàn)不一致的狀態(tài)。經(jīng)過氣壓疲勞試驗(yàn)的復(fù)合材料氣瓶主要沿著封頭過渡段位置破壞，而經(jīng)過水壓疲勞試驗(yàn)后的復(fù)合材料氣瓶在過渡段以及筒身段均破壞的比較徹底。破壞形式的不一致與疲勞過程中的損傷關(guān)系較大。兩個(gè)氣瓶的封頭部位保留的較為完整，主要是由于復(fù)合材料氣瓶在纏繞過程中，纖維在封頭部位堆積導(dǎo)致封頭部位的強(qiáng)度優(yōu)于筒身段。

圖6 復(fù)合材料氣瓶爆破模式照片

4 結(jié) 語

本文采用T700碳纖維纏繞成型130 L復(fù)合材料氣瓶，對其進(jìn)行反復(fù)充放氣的疲勞試驗(yàn)以及疲勞后的水壓爆破試驗(yàn)，并且采用聲發(fā)射檢測方法對疲勞過程中的損傷信號進(jìn)行了跟蹤，結(jié)果表明充放氣過程中由于氣體對內(nèi)外做功，會(huì)使得在充壓與降壓的過程中產(chǎn)生劇烈的溫度變化，復(fù)合材料氣瓶除了要承受內(nèi)壓載荷外，同時(shí)還必須承受溫度劇烈變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料氣瓶最終的爆破壓強(qiáng)下降。因此在復(fù)合材料氣瓶的實(shí)際使用過程中，應(yīng)該充分考慮熱機(jī)械應(yīng)力對氣瓶性能的影響。

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Fatigue Behavior and Burst Characteristics of Filament Wound CFRP Vessel under Internal Pressure and Thermal-Cryogenic Conditions

LIN Song，WANG Junfeng，LI Hong，CHEN Liang，SUN Wenwen

(Aerospace Research Institute of Materials and processing Technology，Beijing 100076)

In this study,a filament wound composite pressure vessel was subjected to be cyclic loading of both pressure and temperature by atmospheric pressure test compared with hydrostatic test to investigate its fatigue behavior and burst characteristics.Acoustic emission dates were collected from the two types of test.The results shown that in the course of the atmospheric fatigues pressure test,large temperature changes accompanied by internal pressure could occur which directly led to thermo-mechanical cyclic loading of the vessel.These thermo-mechanical stresses could stimulate more damages to the vessel than that by hydraulic fatigues pressure test,which led to degrade final burst pressure.

composite pressure vessels；acoustic emission；atmospheric pressure；fatigue

2014-11-06)

林松(1983-)，男，福建人，博士，工程師。研究方向：主要從事結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型工藝研究。E-mail:linsong28@126.com.